【文章內(nèi)容簡介】 一版更新有利得多?；仡櫄v史， CAD 和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的國際標(biāo)準(zhǔn)制定總是滯后于市場上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 CAD 產(chǎn)品更新頻繁。誰家產(chǎn)品的技術(shù)思想領(lǐng)先，性能最好，用戶最多，主導(dǎo)了市場，誰就是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 CAD 技術(shù)的發(fā)展不是一種 純學(xué)術(shù)行為，它是在高技術(shù)產(chǎn)品所固有的激烈市場競爭中不斷向前推進(jìn)，永無止境。 CAD 軟件一般應(yīng)集成在一個異構(gòu)的工作平 臺之上，為了支持異構(gòu)跨平臺的環(huán)境，就要求它應(yīng)是一個開放的系統(tǒng)，這里主要是靠標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)來解決這個問題。 第一章 緒 論 5 目前標(biāo)準(zhǔn)有兩大類：一是公用標(biāo)準(zhǔn)，主要來自國家或國際標(biāo)準(zhǔn)制定單位；另一是市場標(biāo)準(zhǔn)，或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，屬私有性質(zhì)。前者注重標(biāo)準(zhǔn)的開放性和所采用技術(shù)的先進(jìn)性，而后者以市場為導(dǎo)向，注重考慮有效性和經(jīng)濟(jì)利益。后者容易導(dǎo)致壟斷和無謂的標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)。通過總結(jié)這個領(lǐng)域幾十年標(biāo)準(zhǔn)化工作的經(jīng)驗(yàn)，不少標(biāo)準(zhǔn)化專家已認(rèn)識到存在的問題，這已經(jīng)成為進(jìn)一步制定標(biāo)準(zhǔn)的障礙。因此提出應(yīng)對傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行革新。有專家建議標(biāo)準(zhǔn)革新的目標(biāo)是公用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變成工 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也就是說革新后仍應(yīng)以公用標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，不過要從工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中吸收其注重經(jīng)濟(jì)利益和效率的優(yōu)點(diǎn)。另外，也有人提出現(xiàn)在制定標(biāo)準(zhǔn)的單位很多，但是標(biāo)準(zhǔn)制定過程卻沒有標(biāo)準(zhǔn)，這也是標(biāo)準(zhǔn)革新過程中值得考慮的問題。這些觀點(diǎn)對我國制定 CAD 標(biāo)準(zhǔn)也許有所啟迪。 2．開放性 CAD 系統(tǒng)目前廣泛建立在開放式操作系統(tǒng)窗口 95／ 98／ NT 和 UNIX平臺上，在 Java LINUX 平臺上也有 CAD 產(chǎn)品，此外 CAD 系統(tǒng)都為最終用戶提供二次開發(fā)環(huán)境，甚至這類環(huán)境可開發(fā)其內(nèi)核源碼，使用戶可定制自已的 CAD 系統(tǒng)。 3．集成化 CAD 技術(shù)的集 成化體現(xiàn)在三個層次上：其一是廣義 CAD 功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP 經(jīng)過多種集成形式成為企業(yè)一體化解決方案，推動企業(yè)信息化進(jìn)程。目前創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力（ CAD）與現(xiàn)代企業(yè)管理能力（ ERP、 PDM）的集成，已成為企業(yè)信息化的重點(diǎn)；其二，是將 CAD 技術(shù)能采用的算法，甚至功能模塊或系統(tǒng)，做成專用芯片，以提高 CAD 系統(tǒng)的效率；其三是 CAD 基于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境實(shí)現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)在企業(yè)間的集成。應(yīng)運(yùn)而生的虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造、虛擬企業(yè)就是該集成層次上的應(yīng)用。 國際 CAD 商品系統(tǒng)開發(fā)的另一個趨勢是在全球 范圍內(nèi)優(yōu)選最成功的功能構(gòu)件，進(jìn)行集成。至今最成熟的幾何造型平臺有兩家： Parasolid 和 ACIS；幾何約束求解構(gòu)件有一家，它的主要產(chǎn)品是 2D 和 3D DCM。我國開發(fā)的機(jī)械 CAD 應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)部分采用 ACIS 和 Parasolid 平臺，這是合理的。但是國際上近來又有一種思潮，要求軟件開發(fā)自由化，以免受制于一、二家公司壟斷性產(chǎn)品的束縛。這就是選用 Linux 操作系統(tǒng)以及在它基礎(chǔ)上開發(fā)各種共享軟件，開放源程序。我國也在醞釀自主開發(fā)因特網(wǎng)、操作系統(tǒng)、以及各種辦公的國產(chǎn)化系統(tǒng)。這時(shí)，自研制幾何造型通用平臺和各種功能構(gòu) 件也將提上議事日程，我們要及早做好準(zhǔn)備。 4．智能化 設(shè)計(jì)是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動領(lǐng)域，智能 CAD 是 CAD發(fā)展的必然方向。從人類認(rèn)識和思維的模型來看，現(xiàn)有的人工智能技術(shù)對模擬人類的思維活動（包括形象思維、抽象思維和創(chuàng)造性思維等多種形式）往往是束手無策的。因此，智能 CAD 不僅僅是簡單地將現(xiàn)有的智能技術(shù)與 CAD 技術(shù)相結(jié)合，更要深入研究人類設(shè)計(jì)的思維模型，并用信息技術(shù)來表達(dá)和模擬它。這樣不僅會產(chǎn)生高效的 CAD系統(tǒng)，而且必將為人工智能領(lǐng)域提供新的理論和方法。 CAD 的這個發(fā)展趨勢，將對信息科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生 深刻的影響。 華南理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 虛擬裝配 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品虛擬拆裝技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品的維護(hù)以及操作培訓(xùn)方面具有獨(dú)特的作用。在交互式虛擬裝配環(huán)境中，用戶使用各類交互設(shè)備（數(shù)據(jù)手套 /位置跟蹤器、鼠標(biāo) /鍵盤、力反饋操作設(shè)備等）象在真實(shí)環(huán)境中一樣對產(chǎn)品的零部件進(jìn)行各類裝配操作，在操作過程中系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑與序列處理等功能，從而使得用戶能夠?qū)Ξa(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行分析、對產(chǎn)品零部件裝配序列進(jìn)行驗(yàn)證和規(guī)劃、對裝配操作人員進(jìn)行培訓(xùn)等。在裝配（或拆卸）結(jié)束以后，系統(tǒng)能夠記錄裝配過程的所有信息，并生成評 審報(bào)告、視頻錄像等供隨后的分析使用。 虛擬裝配是虛擬制造的重要組成部分，利用虛擬裝配，可以驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作的正確與否，以便及早的發(fā)現(xiàn)狀配中的問題，對模型進(jìn)行修改，并通過可視化顯示裝配過程。虛擬裝配系統(tǒng)允許設(shè)計(jì)人員考慮可行的裝配序列，自動生成裝配規(guī)劃，它包括數(shù)值計(jì)算、裝配工藝規(guī)劃、工作面布局、裝配操作所模擬等。現(xiàn)在產(chǎn)品的制造正在向著自動化、數(shù)字化的反向發(fā)展，虛擬裝配是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)節(jié)。 虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展是虛擬制造技術(shù)的一個關(guān)鍵部分，但相對于虛擬制造的其它部分而言，它又是最薄弱的環(huán)節(jié)。虛擬 裝配技術(shù)發(fā)展滯后，使得虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用性大大減弱，因此對虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展也就成為目前虛擬制造技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)研究的主要對象，這一問題的解決將使虛擬制造技術(shù)形成一個完善的理論體系，使生產(chǎn)真正在高效、高質(zhì)量、短時(shí)間、低成本的環(huán)境下完成，同時(shí)又具備了良好的服務(wù)。虛擬裝配從模型重新定位、分析方面來講，它是一種零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過程，是有效的分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性的一種手段 。從產(chǎn)品裝配過程來講，它是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)的模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過程 ，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。 近年來，世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家都對虛擬裝配技術(shù)給予了高度的重視， 投人了大量的人力物力進(jìn)行研究。 波音公司在數(shù)字化代表產(chǎn)品波音 777 的展示中，不像以往那樣重點(diǎn)宣傳新型飛機(jī)本身性能如何優(yōu)越，而是強(qiáng)調(diào)他們充分利用數(shù)字化研制技術(shù)以及產(chǎn)品研發(fā)人員的重新編隊(duì)等方面。波音 777 飛機(jī)項(xiàng)目順利完成的關(guān)鍵是依賴三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與綜合設(shè)計(jì)隊(duì)伍 (238 個 Team)的有效實(shí)施，保證飛機(jī)設(shè)計(jì)、裝配、測試以及試飛均在計(jì)算機(jī)上完成，研制周期從過去的 8 年時(shí)問縮減到 5 年，其中虛擬裝配的工程設(shè)計(jì)思想在研制過程中發(fā)揮了巨 大的作用。 德國 Fraunhofer 工業(yè)工程研究所較早進(jìn)行了虛擬裝配規(guī)劃系統(tǒng)的研究和開發(fā)，他們開發(fā)的第一個虛擬裝配規(guī)劃原型系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中執(zhí)行裝配操作，交互地裝配和拆卸零件， 并在用戶交互的基礎(chǔ)上生成裝配圖，進(jìn)行裝配工時(shí)和裝配成本第一章 緒 論 7 的分析。 我國從 90 年代中后期開始進(jìn)行虛擬裝配方面的探索和研究工作，我國虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用研究尚處于起步階段，只有為數(shù)不多的機(jī)構(gòu)如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢理工大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等院校作了有益的研究 [， 由于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備非常昂貴，近年來國內(nèi)大多數(shù)研究被限制在介紹國外的進(jìn)展理論 探討范圍內(nèi)， 或者在非虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行研。但人們已經(jīng)逐漸地認(rèn)識到虛擬裝配所能發(fā)揮的巨大作 用 。 本課題研究內(nèi)容 本文主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)為：第一章，介紹光驅(qū)產(chǎn)品的概況與發(fā)展趨勢， CAD 技術(shù)的歷史與虛擬裝配；第二章，介紹在 Inventor 2020 環(huán)境下對光驅(qū)產(chǎn)品進(jìn)行三維建模，此外還包括 Inventor 的介紹和參數(shù)化建模的基本方法；在第三章中將討論虛擬裝配約束，其中包括裝配約束與裝配運(yùn)動；第四章中探索在 Inventor Studio 環(huán)境下進(jìn)行3D 渲染，并給出最終效果圖； 華南理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 第二章 光驅(qū)產(chǎn)品的三維建模 Inventor 介紹 Autodesk Inventor 軟件是美國 AutoDesk 公司于 1999 年底推出的三維可視化實(shí)體模擬軟件，目前已推出最新版本 Inventoror 2020，本次研究使用的是Inventor2020。它包含三維建模、信息管理、協(xié)同工作和技術(shù)支持等各種特征。使用Autodesk Inventor 可以創(chuàng)建三維模型和二維制造工程圖、可以創(chuàng)建自適應(yīng)的特征、零件和子部件，還可以管理上千個零件和大型部件，它的 “ 連接到網(wǎng)絡(luò) ” 工具可以使工作組人員協(xié)同工作，方便數(shù)據(jù)共享和同事之間 設(shè)計(jì)理念的溝通。 Inventor 在用戶界面簡單，三維運(yùn)算速度和著色功能方面有突破的進(jìn)展。它是建立在 ACIS 三維實(shí)體模擬核心之上，設(shè)計(jì)人員能夠簡單迅速地獲得零件和裝配體的真實(shí)感，這樣就縮短了用戶設(shè)計(jì)意圖的產(chǎn)生與系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的距離，從而最小限度的影響設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意和發(fā)揮。 Autodesk Inventor 產(chǎn)品系列正在改變傳統(tǒng)的 CAD 工作流程：因?yàn)楹喕藦?fù)雜三維模型的創(chuàng)建，工程師即可專注于設(shè)計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)。通過快速創(chuàng)建數(shù)字樣機(jī)，并利用數(shù)字樣機(jī)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的功能，工程師即可在投產(chǎn)前更容易發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯誤。Inventor 能夠加速概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制造的整個流程。 Autodesk Inventor 主要包括零 /部件設(shè)計(jì)、 ACE 交換 、運(yùn)動仿真 /應(yīng)力分析 、Inventor Studio 四大模塊 ， 大模塊里還包含有小模塊； 此外， Inventor 的資源中心還提供設(shè)計(jì)加速器功能與各種標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件，如齒輪、螺釘、皮帶輪組、軸承等。在本研究中主要使用零部件設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行零部件（包括鈑金）設(shè)計(jì)、裝配和運(yùn)動仿真，在資源中心幫助下設(shè)計(jì)齒輪（包括直齒齒輪、錐齒輪）、帶輪，最后在 Inventor Studio環(huán)境下進(jìn)行渲染。 光驅(qū)產(chǎn) 品的三維建模 光驅(qū)是由多種類型的零部件構(gòu)成的，其中有鈑金件、塑料 鑄件 、標(biāo)準(zhǔn)件等。不同類型零部件的建模環(huán)境、方法會有所不同，同類型的不同零件的建模過程也會有所區(qū)別。如塑料 鑄件 在一般環(huán)境下即可完成建模，而鈑金件需要轉(zhuǎn)到鈑金設(shè)計(jì)環(huán)境下，利用資源中心和設(shè)計(jì)加速器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)會更有效率。 在 Inventor 軟件環(huán)境下，機(jī)械三維建模應(yīng)該嚴(yán)格以設(shè)計(jì)構(gòu)思或者前期圖紙為依據(jù)，盡量保持三維圖形數(shù)據(jù)的完整和正確性。三維模型的一般建模過程如圖 所示。 第二章 光驅(qū)產(chǎn)品的三維建模 9 圖 Inventor 軟件三維建模過程 構(gòu)造虛擬樣機(jī)必須進(jìn)行機(jī)械零 、部件的三維實(shí)體造型。三維實(shí)體模型的構(gòu)建對于虛擬樣機(jī)的仿真和分析十分重要，必須充分理解所構(gòu)造的機(jī)械結(jié)構(gòu)的各個零部件的外形以及他們之間的相對位置和裝配關(guān)系，在實(shí)體建模時(shí)嚴(yán)格按照實(shí)際的尺寸來進(jìn)行，只有這樣才能構(gòu)建出與實(shí)際相符合的 光驅(qū) 實(shí)體模型。 光驅(qū) 是一個復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，考慮到 Inventor 所建立的三維模型 要 進(jìn)行 運(yùn)動 仿真分析 ，考慮其 所需要的時(shí)間和成功率，所以在不影響本文對 光驅(qū) 進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析的前提下，在 Inventor 中盡量略去一些不需要分析的零部件幾何模型的構(gòu)建，如一般不必繪制過渡圓角、倒角等非關(guān)鍵性信息。這樣可以減少 運(yùn)動仿真 中零件的數(shù)量，同時(shí)減少零件間約束副的總數(shù)，從而可以減少運(yùn)動仿真仿真所需的時(shí)間，保證了仿真實(shí)驗(yàn)的成功率。 本文使用的創(chuàng)建 光驅(qū) 三維零件的方法和一般過程如圖 所示。 圖 Inventor 中創(chuàng)建三維零件的一般過程 由于在 Inventor 中實(shí)體模型可以有多種不同的構(gòu)造方法，采取何種方法更為合理、高效，需要有一個經(jīng)驗(yàn)積累過程。一般來說，要根據(jù)圖形的形狀選擇合適的構(gòu)造模型的方式。對于像 光驅(qū)的基架、 托盤、搖桿、主架 等復(fù)雜的零件，選擇合理的構(gòu)造方法是尤其重要的。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)體模型之前，必須要考慮好模型的生成方法和步驟。其中建模的難點(diǎn)在于輔助平面和輔助點(diǎn)的建立，只有建立好輔助平面和輔助點(diǎn)，才能保證零件模型的精確性。按照是否存在相對運(yùn)動將 光驅(qū) 劃分為： 光盤旋轉(zhuǎn) 裝置、光頭行走 裝置、 托盤進(jìn)出裝置三 個大運(yùn)動部件。 華南理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 光驅(qū) 虛擬樣機(jī)的建模過程如圖 所示。它的思路是按照生產(chǎn)工藝流程組織的，即“建模即虛擬加工，組裝即虛擬裝配，仿真分析即虛擬試驗(yàn)。”